高频小信号放大器.ppt

第三章小信号调谐放大器使用选频网络作为负载的放大电路小信号+放大+选频3.1 概述对高频小信号放大器的要求信号幅度小放大器工作在线性区，可以应用二端口网络分析信号频谱输入与输出完全相同 选频（滤波）作用信号频谱宽度有限噪声、干扰全频范围目的：提取有用信号，抑制无用信号晶体管、场效应管、集成运放 LC谐振，晶体、陶瓷、声表面波等固体滤波器有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大窄带谐振放大器器按按频带宽度频带宽度分分:窄带放大器：窄带放大器：以各种选频电路作负载，例如以各种选频电路作负载，例如并联谐振回路、耦合谐振回路、各种滤波器并联谐振回路、耦合谐振回路、各种滤波器等等宽带放大器：宽带放大器：采用无选频作用的电路作负载，采用无选频作用的电路作负载，例如高频变压器、传输线变压器等例如高频变压器、传输线变压器等按按负载负载分分:调谐放大器调谐放大器集中选频放大器集中选频放大器：以石英晶体、陶瓷、声表面波滤波器为负载：以石英晶体、陶瓷、声表面波滤波器为负载单调谐放大器单调谐放大器双调谐放大器双调谐放大器参差调谐放大器参差调谐放大器 小信号放大电路的分类小信号放大电路的分类:主要性能指标和基本单元电路主要性能指标和基本单元电路常见的基本指标如下：一增益 增益增益定义为放大器的输出信号电量与输入信号电量的比值，用A加下标（类似于低频放大器的增益）来表示。图为一典型增益的幅频特性曲线。分贝表示：分贝表示：二通频带 放大器的电压增益下降到最大值的放大器的电压增益下降到最大值的0.707（即（即1/)倍时，所对应的频率范围称为放大倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用器的通频带，用 表示。表示。2 f0.7也称也称为为3dB带宽带宽。三三.选择性选择性 从各种不同频率信号的总和中选出有用信号，抑从各种不同频率信号的总和中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用选择性常采用矩形系数矩形系数和和抑制比抑制比来表示。来表示。矩形系数矩形系数表示与理想滤波特性的接近程度。表示与理想滤波特性的接近程度。2 f0.1,2 f0.01分别为放大倍数分别为放大倍数下降至下降至0.1和和0.01处的带宽，处的带宽，Kr愈接近于愈接近于1越好。越好。单谐振回路单谐振回路单谐振回路的选择性较差单谐振回路的选择性较差例：求解任意一单谐振回路的矩形系数例：求解任意一单谐振回路的矩形系数Kr0.1解：解：表示对某个干扰信号表示对某个干扰信号fn 的抑制能力，用的抑制能力，用dn表示。表示。例：例：Av0=100=100，Avn=1=1，用分贝表示，用分贝表示dn(dB)=20 lgdn 抑制比抑制比(抗拒比抗拒比)Avn：为干扰信号的放大倍数，：为干扰信号的放大倍数，Av0：为谐振点：为谐振点f0的放大倍数。的放大倍数。为为使使放放大大器器稳稳定定工工作作，必必须须采采取取稳稳定定措措施施，即即限限制制每每级级增增益益，选选择择内内反反馈馈小小的的晶晶体体管管，应应用用中中和和或或失失配配方法等。方法等。指指当当放放大大电电路路的的工工作作状状态态、元元件件参参数数等等发发生生可可能能的的变化时，放大器主要性能的稳定程度。变化时，放大器主要性能的稳定程度。4 工作稳定性：工作稳定性：5 噪声系数噪声系数：放大器的噪声性能可用噪声系数表示：放大器的噪声性能可用噪声系数表示：NF越接近越接近1越好越好 在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。3.2 小信号放大器等效电路及其参数直流偏置电路和交流偏置电路的画法直流偏置电路和交流偏置电路的画法(1)直流偏置电路：将所有所有电容电容开路、电感电感短路，可得放大器的直流通道。（2）交流偏置电路：将旁路电容旁路电容（大电容）短路，直流电源直流电源对地短路，高频扼流圈高频扼流圈开路，可得交流通道。45123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLEcRb1Rb2ReEc32154B1B2CLyLVT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管直流偏置电路：R1,R2为基极分压电阻，Re为发射级负反馈电阻，C1,Ce为旁路电容。目的：确定静态工作点，给三极管放大器供电，使其可以工作。高频等效通路：交流信号实际流过的电路。1、混合、混合 型等效电路型等效电路 从模拟晶体管的物理机构出发，用集中参数元件从模拟晶体管的物理机构出发，用集中参数元件R、C和受控源来表示管内的复杂关系和受控源来表示管内的复杂关系。二、晶体管高频等效电路优点：优点：各元件参数物理意义明确，在较宽的频带内元各元件参数物理意义明确，在较宽的频带内元件值基本上与频率无关；件值基本上与频率无关；缺点：缺点：随器件不同而有不少差别，分析和测量不方便。随器件不同而有不少差别，分析和测量不方便。因而混合型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。因而混合型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。混合混合型等效电路型等效电路 二端口网络二端口网络2、晶体管的Y参数等效电路Y参数网络方程参数网络方程Y参数等效电路电路参数等效电路电路正向传输导纳正向传输导纳反应输入电压对输出电流的控反应输入电压对输出电流的控制。体现晶体管放大能力制。体现晶体管放大能力反向传输导纳反向传输导纳反应输出电压对输入电流影响。反应输出电压对输入电流影响。即晶体管内部的反馈作用即晶体管内部的反馈作用Yoe=goe+jCoe，输出导纳，输出导纳goe、Coe分分别别称称为为输输出出电电导和输出电容导和输出电容Yie=gie+jCie，输入导纳，输入导纳gie、Cie分分别别称称为为输输入入电电导导和输入电容和输入电容晶体管的晶体管的Y参数等效电路参数等效电路放大器输入导纳放大器输入导纳放大器输入导纳放大器输入导纳Y Yi i放大器输出导纳放大器输出导纳放大器输出导纳放大器输出导纳Y Yo o电压增益电压增益电压增益电压增益3.3 单调谐回路谐振放大器高频调谐放大器及其等效电路高频调谐放大器及其等效电路取取Yre=0高频调谐放大器及其等效电路高频调谐放大器及其等效电路gp表示电感线圈的等效并联损耗电导表示电感线圈的等效并联损耗电导放大器输出电压放大器输出电压1电压增益电压增益 与谐振电压增益与谐振电压增益谐振电压增益谐振电压增益负负号号表表示示放放大大器器的的输输出出电电压压与与输输入入电电压压之之间间反反相相，但但由由于于Yfe是是复复数数，有有一一个个相相角角 fe，因因此此，一一般般来来说说，放放大大器器输输出出电电压压与与输入电压之间的相位并非正好相差输入电压之间的相位并非正好相差1802放大器的选择性与通频带放大器的选择性与通频带相对电压增益相对电压增益通频带通频带1通常的，放大器采用级联形式搭建。通常的，放大器采用级联形式搭建。即，本级的放大器负载，为下一级的晶体管输入端即，本级的放大器负载，为下一级的晶体管输入端3.负载分析和阻抗匹配负载分析和阻抗匹配匹配条件匹配条件匹配时的电压增益匹配时的电压增益【例例】单单调调谐谐放放大大器器如如图图所所示示，下下级级采采用用与与本本级级相相同同的的电电路路，放放大大器器的的中中心心频频率率f0=465kHz，通通频频带带BW0.7=15kHz。已已知知晶晶体体管管在在中中心心频频率率及及工工作作点点上上的的Y参参数数为为：gie=0.4mS，Cie=142pF，goe=55S，Coe=18pF，Yfe=36.8mS，略略去去Yre的的影影响响；调调谐谐回回路路的的电电感感线线圈圈N13=120匝匝，L13=586 H，Q0=150。试试在在放放大大器器输输出出功功率率尽尽量量高高的的情情况况下下（阻阻抗抗匹匹配配），确确定定回回路路品品质质因因数数，等等效效元元件件值值，变变压压器器匝匝数数，回回路路电电容容C，并计算放大器的增益。，并计算放大器的增益。解：解：1)确定回路参数确定回路参数(1)确定回路有载品质因数、总电导值和电感损耗等效并联电导值。确定回路有载品质因数、总电导值和电感损耗等效并联电导值。(2)确定接入系数确定接入系数p1和和p2为了使输出功率尽量高，则要求电路满足匹配条件为了使输出功率尽量高，则要求电路满足匹配条件则有则有(3)确定回路电容确定回路电容C2)计算放大器的增益计算放大器的增益例例 f=30MHz,晶体管为晶体管为3DG47型型NPN高频管高频管.当当Vce=6V,Ie=2mA时时,gie=1.3mS,Cie=12pF,goe=400S,Coe=9.5pF;|Yfe|=58.3mS,fe=-2.2;|Yre|=310 S,re=-88.8;L=1.4 H;p1=1,p2=0.3,Q0=100.求单级放大器的求单级放大器的AV0;2f0.7;回路电容回路电容C=?才能使才能使回路谐振回路谐振?单极放大器的单极放大器的Y参数微变等效电路参数微变等效电路折合后的微变等效电路折合后的微变等效电路例例 f=30MHz,晶体管为晶体管为3DG47型型NPN高频管高频管.当当Vce=6V,Ie=2mA时时,gie=1.3mS,Cie=12pF,goe=400S,Coe=9.5pF;|Yfe|=58.3mS,fe=-2.2;|Yre|=310 S,re=-88.8;L=1.4 H;p1=1,p2=0.3,Q0=100.求单级放大器的求单级放大器的AV0;2f0.7;回路电容回路电容C=?才能使才能使回路谐振回路谐振?解解:设暂不考虑设暂不考虑Yre的作用的作用.例例解解:例例 f=30MHz,晶体管为晶体管为3DG47型型NPN高频管高频管.当当Vce=6V,Ie=2mA时时,gie=1.3mS,Cie=12pF,goe=400S,Coe=9.5pF;|Yfe|=58.3mS,fe=-2.2;|Yre|=310 S,re=-88.8;L=1.4 H;p1=1,p2=0.3,Q0=100.求单级放大器的求单级放大器的AV0;2f0.7;回路电容回路电容C=才能使才能使回路谐振回路谐振?go+u31-采用相同的晶体管采用相同的晶体管go+u31-一、多级单调谐回路谐振放大器1电压增益电压增益每一级放大器的参数结构均相同每一级放大器的参数结构均相同谐振时总的电压增益谐振时总的电压增益2通频带通频带级数m1234510.640.510.430.39频带缩减因子频带缩减因子3.4 调谐放大器的级联3矩形系数矩形系数级数m1234569.954.663.743.383.193.072.56例有一个三级同步调谐的单回路谐振放大器，其中心频率为465kHz，每个回路的品质因数QL=40,（1）试求该放大电路的总通频带为多少？（2）若要求该电路级联前后通频带不改变，则此时的QL 为多少？谐振增益变为原来的多少倍？（3）若要求该放大电路总通频带为10kHz，则允许的最大QL为多少？o即，单级谐振增益约为之前的0.5倍。三级总增益为之前的0.125倍。1.2.3.结论m变大时，BW0.7、BW0.1降低，选择性增强，矩形系数减小(其减小不是线性的，上限值约2.56)为保持多级级联后通频带不变，总增益将急剧下降3.5 双调谐回路谐振放大电路参差调谐电路以双参差调谐为例：将2级单调谐放大器调谐在信号中心频点附近两个不同频点上，组成参差调谐电路。该电路中两个单调谐放大器幅频特性互相补偿，虽然降低了增益，但是展宽了通频带of1=f2=f0/2QL时，幅频特性具有最平坦特性。图图 三参差调谐放大器的三参差调谐放大器的谐振曲线谐振曲线3.6 3.6 高频调谐放大器的稳定性高频调谐放大器的稳定性晶体管内部存在着反向输入导纳，考虑晶体管内部存在着反向输入导纳，考虑 yre 后，放大器输入导纳和输出导后，放大器输入导纳和输出导纳的数值会对放大器的调试及对放大器的工作稳定性有很大的影响。纳的数值会对放大器的调试及对放大器的工作稳定性有很大的影响。一、晶体管内部反馈的有害影响一、晶体管内部反馈的有害影响 1 1放大器调试困难放大器调试困难 放大器的输入导纳放大器的输入导纳 放大器的输出导纳放大器的输出导纳 由于由于 yre 的存在，放大器的输入和输出导纳，分别与负载及信号源有关。的存在，放大器的输入和输出导纳，分别与负载及信号源有关。2.2.放大器工作不稳定放大器工作不稳定 因为放大后的输出电压因为放大后的输出电压Uo 通过反向传输导纳通过反向传输导纳 yre，把一部分信，把一部分信号反馈到输入端，由晶体管加以放大，再通过号反馈到输入端，由晶体管加以放大，再通过 yre 反馈到输入端，反馈到输入端，如此循环不止。如此循环不止。在条件合适时，放大器甚至不需要外加信号，也能在条件合适时，放大器甚至不需要外加信号，也能够产生正弦或其它波形的振荡，使放大器工作不稳定。够产生正弦或其它波形的振荡，使放大器工作不稳定。由于由于yre的存在，晶体管是一个双向的器件，的存在，晶体管是一个双向的器件，增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化。增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化。单向化的方法有：单向化的方法有：中和法中和法 消除消除yre的反馈的反馈失配法失配法 增大增大GL或或gs的数值，使输入和输的数值，使输入和输 出回路与晶体管失配。出回路与晶体管失配。二、克服不稳定的方法二、克服不稳定的方法 单向化 1 1中和法中和法 在放大器的线路中插入一个外加的反馈电路来在放大器的线路中插入一个外加的反馈电路来抵消内部反馈的影响，称为中和。抵消内部反馈的影响，称为中和。这相当减小了这相当减小了晶体管的晶体管的 yre，放大器可以稳定地工作。，放大器可以稳定地工作。中和法对增益没有影响，中和法对增益没有影响，该方法的主要优点是该方法的主要优点是增益高，增益高，因为它不是靠牺牲增益来获取稳定性的。因为它不是靠牺牲增益来获取稳定性的。但中和法的缺点也是突出的，它不能在一个频段满但中和法的缺点也是突出的，它不能在一个频段满足实际需要，实际电路中足实际需要，实际电路中只能在一个频率点起到中只能在一个频率点起到中和作用。和作用。此外，此外，由于晶体管集电极至基极的内部反由于晶体管集电极至基极的内部反馈电路并不是一个纯电容，馈电路并不是一个纯电容，而是具有一定的电阻分而是具有一定的电阻分量，所以中和电路也应是电阻和电容构成的网络，量，所以中和电路也应是电阻和电容构成的网络，这使设计和调整都比较麻烦。这使设计和调整都比较麻烦。目前，仅在收音机中目前，仅在收音机中采用这种办法，采用这种办法，而一些要求较高的通信设备大多不而一些要求较高的通信设备大多不再用中和电路。再用中和电路。2 2失配法失配法失配是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端的负载失配是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端的负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。失配法从物理概念上讲，当负载导纳失配法从物理概念上讲，当负载导纳 很大时，输出电路严重失配，很大时，输出电路严重失配，输出电压相应减小，反馈到输入端的信号就大大减弱，对输入电路的输出电压相应减小，反馈到输入端的信号就大大减弱，对输入电路的影响也随之减小。失真越严重，输出电路对输入电路的反作用就越小，影响也随之减小。失真越严重，输出电路对输入电路的反作用就越小，放大器基本上可以看作单向化。所以放大器基本上可以看作单向化。所以失配法对增益有影响。失配法对增益有影响。后一级放大器的输入导纳是前一级放大后一级放大器的输入导纳是前一级放大器的负载，而前一级放大器则是后一级的信器的负载，而前一级放大器则是后一级的信号源，它的输出导纳就是信号源的内导纳。号源，它的输出导纳就是信号源的内导纳。晶体管按共基极方式联接时，输入导纳较大，晶体管按共基极方式联接时，输入导纳较大，这就等于第一级晶体管的这就等于第一级晶体管的负载导纳负载导纳 YL 很大，很大，中和法：中和法：优点：简单，增益高优点：简单，增益高 缺点：缺点：只能在一个频率上完全中和，不适合宽带只能在一个频率上完全中和，不适合宽带 因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不 适于批量生产。适于批量生产。对放大器由于温度等原因引起各种参数变对放大器由于温度等原因引起各种参数变 化没有改善效果。化没有改善效果。(3)中和法与失配法比较中和法与失配法比较失配法：失配法：优点：优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响；性能稳定，能改善各种参数变化的影响；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；生产过程中无需调整，适于批量生产。生产过程中无需调整，适于批量生产。缺点：以牺牲增益来提高稳定性。缺点：以牺牲增益来提高稳定性。解决办法：共射解决办法：共射-共基组合调谐电路共基组合调谐电路 总结放大器部分：交流等效（偏压电阻，旁路电容，耦合电容等）小信号Y参数等效（四个Y的含义）部分接入等效（同第二章）简单并联电路，求解参数。（增益、通频带、矩形系数、品质因数、谐振频率、接入系数、元器件值等）放大器的级联（其他几种要求认识）反馈的形成和解决方法（中和、失配）